TiCN 基金属陶瓷制备及摩擦学性能研究

任小勇 刘志向 冷旭阳 张至立 陈思琪

（中国矿业大学（北京）机械与电气工程学院，北京 100083）

TiCN 基金属陶瓷具有高硬度、高强度、优良的耐高温及耐腐蚀性能，因此成为制备高速切削刀具的较优材料[1-2]。随着科技的进步和各领域的快速发展，人们对切削刀具的切削效率和寿命提出更高要求。TiCN 基金属陶瓷具有较高的摩擦系数，在高速切削过程中磨损剧烈且温升严重，影响了刀具的使用寿命和加工精度，因此提升其自润滑性能成为切削刀具领域的重点课题。

研究表明，通过添加润滑相制备复合材料可以提升材料的摩擦性能。常用的固体润滑材料可分为石墨、h-BN、过渡金属硫化物和软金属（Ag、Au、Pb）等。Ag 具有较低的临界剪切力，容易发生滑移，高温化学稳定性好，而且价格比Au 等金属低，因此成为一种常用的固体润滑添加剂。BaF2在300～400 ℃会发生脆-韧性转变，形成具有低剪切强度的润滑相，在高温下表现出优异的润滑性，因此常作为固体润滑添加剂。例如，美国航空航天局（National Aeronautics and Space Administration，NASA）最新的研发的PS400系列涂层材料体系就是以Ag 和62%BaF2-38%CaF2共晶粉复配作为润滑剂，制备满足不同工况条件下的NiMoAl 基自润滑涂层。但是，目前尚缺少以Ag 和BaF2作为润滑添加剂制备TiCN 基金属陶瓷的力学性能和润滑性能方面的研究。

为此，以纳米Ag 和BaF2粉作为润滑添加剂，利用放电等离子烧结技术烧结制备TiCN 基金属陶瓷，并研究其微观结构和摩擦学性能，探索添加润滑剂对TiCN 基金属陶瓷微观结构、力学性能和常温润滑性能的影响。

1 实验过程

1.1 复合材料制备

本实验中样品的制备与测试流程如图1 所示，所需原料粉末包括TiCN、MoC、Ni、Ag、BaF2粉，其中以TiCN 为基体，金属Ni 为黏结相，MoC 为硬质增强，Ag、BaF2粉末为润滑相。将TiCN、MoC 和Ni 粉以8 ∶1 ∶1 的比例球磨混合，球磨时间为48 h，转速为200 r·min-1。磨球为6 mm 直径的YG6 硬质合金球，介质为无水乙醇。真空干燥后得到TiCN-MoC-Ni基础粉末，在此粉末中添加5 wt%的银粉和5 wt%的BaF2粉末。将混合粉末继续球磨4 h，并进行真空干燥，干燥的粉末过筛后进行放电等离子烧结（Spark Plasma Sintering，SPS）。本实验中未添加润滑相样品标记为TMNA0，添加润滑相样品标记为TMNAB5。

图1 样品制备与测试流程

样品采用SPS 方式制备，实验所用烧结炉和烧结升温曲线如图2 所示，烧结温度为1 300 ℃，达到最高烧结温度后保温5 min。烧结后，依次使用400 目、800 目、1 200 目砂纸对样品进行抛光，然后进行分析表征测试。

图2 放电等离子烧结炉实物图及烧结升温曲线图

1.2 分析表征测试

使用阿基米德法测试所制备复合材料的表观密度，并计算其相对密度，每种样品测试3 组取平均值。使用型号为D8ADVANCE 的X 射线衍射（X-Ray Diffraction，XRD）仪分析材料物相组成，扫描范围为20°～90°，扫描速率为每分钟5°，扫描方式为连续扫描。使用型号为VHX-5000 的基恩士超景深三位显微镜分析摩擦磨损实验后的磨痕表面形貌。采用型号为EV500-2A 的维氏硬度计测试样品的维氏硬度，载荷为100 N，保压时间10 s，共测试5 组并取平均值。使用型号为UMT-3 的多功能摩擦磨损试验机，采用球-盘往复模式评价材料的摩擦学性能，载荷分别为5 N、10 N 和15 N，所用对磨副为直径4 mm 的氮化硅小球，往复频率为5 Hz，行程为8 mm，测试时间为10 min。

2 实验结果分析

2.1 物相组成

TMNA0 和TMNAB5 样品的XRD 图谱，如图3所示。实验结果显示，所有样品中均检测到TiCN、Ni 和MoC 相，与基础粉末的成分一致。在添加润滑相的样品中，同时检测到Ag 的衍射峰（38.15°、64.43 °、81.49 °）和BaF2的衍射峰（24.85 °、26.42°、28.78°、48.69°、51.23°）。此外，所检测出的Ag 和BaF2衍射峰的峰形尖锐，表明添加的Ag 和BaF2在烧结样品中结晶完整，能发挥良好的润滑作用[3-4]。结果表明，通过放电等离子烧结技术，成功制备了含有Ag 和BaF2双润滑相的TiCN 基金属陶瓷。

图3 样品TMNA0 和TMNAB5 的XRD 图谱

2.2 力学性能测试

所制备样品的实际密度和致密度结果如图4 所示。从图4 可以看到，实验中添加和未添加润滑相样品的致密度均高于90%，表明在该烧结工艺下可以成功烧结制备TiCN 基金属陶瓷。添加5 wt%的纳米Ag 粉和5 wt%的BaF2粉末样品的实际密度比未添加时提高约0.6 g·cm-3，致密度从90.05%提升至99.83%。这表明添加Ag 和BaF2有利于提高TiCN 基金属陶瓷的致密度。主要原因是Ag 的添加提高了样品中金属相的含量，有助于样品烧结致密[5-6]。

图4 TiCN 基金属陶瓷样品的实际密度与致密度

两组样品的平均维氏硬度如图5所示。从图5可以看到，TNMA0 样品的硬度为370.88 HV，而TMNAB5 样品的硬度为542.74 HV，可见添加纳米Ag 粉和BaF2粉末能够提高TiCN 基金属陶瓷的硬度。当纳米Ag 和BaF2添加量均为5 wt%时，样品硬度提高172 HV。实验结果还表明，TiCN 基金属陶瓷的硬度与致密度呈正相关。

图5 样品的维氏硬度图

2.3 摩擦学性能测试

TMNA0 和TMNAB5 样 品 在5 N、10 N、15 N载荷下的摩擦系数随时间的变化曲线如图6 所示。实验为往复式球盘摩擦，对磨副为Si3N4陶瓷球。结果表明，样品经过一段跑合期后，摩擦系数基本保持稳定，其中添加润滑相样品的跑合期更长。添加润滑相样品的在不同载荷下的摩擦系数波动幅度小，曲线平稳，而未添加润滑相样品的摩擦系数曲线波动幅度大，表明添加润滑相的样品在摩擦过程中更易形成稳定的润滑膜[7-8]。

图6 不同载荷下实验样品的摩擦系数曲线图

截取各组实验在进入稳定摩擦阶段后的曲线，绘制出各组数据的平均摩擦系数，如图7 所示。从图7可以看到，两组样品随着载荷的提高，摩擦系数均呈现增大趋势，添加了5 wt%的纳米Ag 和5 wt%的BaF2粉的TMNAB5 样品在各载荷条件下的摩擦系数均低于TMNA0 样品的摩擦系数，而且载荷越大，摩擦系数降低幅度越大。添加润滑相的样品相比未添加润滑相的样品，在5 N、10 N、15 N 的载荷作用下摩擦系数分别降低0.022、0.044、0.052，具有更好的润滑效果。室温条件下，添加润滑相的样品能够在更广泛的载荷条件下发挥更好的摩擦学性能。

图7 样品在不同载荷下的平均摩擦系数

TMNAB5 样品在不同载荷下的磨损形貌如图8所示。图8 中标注了各磨痕的宽度，显示磨痕随着载荷的变大逐渐增大，分别为373.61 μm、485.53 μm和516.78 μm。随着磨痕变宽，黑色磨斑逐渐增多，因此可推断出摩擦系数随载荷提高而增大的原因可能为大颗粒物质黏附在磨痕表面，加大了表面的粗糙度。

图8 TMNAB5 样品在不同载荷下的磨痕形貌

3 结论

通过放电等离子烧结技术成功制备了添加纳米Ag 和BaF2粉末的TiCN 基金属陶瓷，并对其物相组成、力学性能和摩擦学性能进行分析测试，得到两条结论。

（1）添加润滑相样品的致密度达到99.83%，而且物相组成中除TiCN、MoC 和Ni 相外，还检测到润滑相Ag 和BaF2，材料硬度为542 HV，高于未添加润滑相样品，表明采用放电等离子烧结方法能够成功制备含有Ag 和BaF2润滑相的金属陶瓷材料。

（2）在5 N、10 N、15 N 这3 种测试载荷下，含有Ag 和BaF2润滑相样品的摩擦系数均小于未添加润滑相的样品，且摩擦系数波动幅度小，表明该样品在摩擦过程中表面更易形成固体润滑膜，能够降低样品的摩擦系数，达到减磨的效果。